5 夹具的设计与制造
5.1引言
振动和冲击试验夹具设计，有时被称为不正规技术。当人们看到一个有经验的夹具设计师不经任何计算而设计出夹具，就加强了这种想法。如果某人要按分振动教材书去设计，他就会立即感到，诸如刚度矩阵也都用不上。于是这种想法就更进一步加深了。一些夹具设计者，只计算一些简支梁的振型，却很少去计算整个夹具的响应，只有及少数设计师能够恰如其份地运用逻辑程序去阐述并成功地设计夹具。许多评论者认为，对一个夹具不可能作出满意的分析。所以一个成功的设计，部分靠运气，部分凭经验。
对夹具各个部分作出合理的逐步分析后，就能够完成夹具的设计。夹具振动的误差，不会超过10%或20%，这样的误差通常是允许的。精度提得越高，需要花费的时间和努力就越大。
在机械工程方面有一定学位的人，并不一定设计出好夹具；而许多没有学位的人反到设计出优秀的夹具。对于夹具设计者，有了机械制造与电子学的基础，加上工程经验，特别是加工的经验。其次单位内外的制造的能力,就能制造出一个好的夹具。
5.2 夹具的功用
试验样品的安装有二种方法，一种是直接安装在振动台台面上（即动圈上），另一种是通过过渡装置安装在振动台的台面（即动圈）上，这种过渡装置在振动和冲击试验中将其称为夹具。可见夹具的功用，就是将振动台（或冲击机）的振动和冲击能量通过机械连接不失真、不放大、一比一的传递传给试件，从而保证试验样品经受到所规定的试验应力，当然这是理想状态。图1给出的电—机械方块图，表示振动试验系统各部分的关系：实线表示电能传递路线，虚线表示机械能传递路线。
5.3 夹具基本要求
上面已说了振动、冲击试验夹具的功用就是将振动台（或冲击机）产生的机械能传递给试件。夹具在总体设计方面所遇到的困难是必须设计出重量最小、刚性最大、在试验频率范围内不会发生结构共振的夹具。夹具设计往往取决于工程经验，
夹具设计一般比较费时、费力，不仅要考虑夹具本身的特性，而且要尽量减少夹具与试件的相互影响。夹具设计应包括分析和预计试件的最低阶振型。
夹具设计的理论计算主要包括刚度、质量和固有频率三个基本参数。刚度包括刚体平移、刚体旋转及刚体弯曲；阻尼并不明显地改变固有频率，仅改变振动幅值。影响固有频率的二个要素为质量和刚性。对于复杂夹具的固有频率，Dunkerley方程提供了一种方法，即通过结合复合结构元件中的非偶合型固有频率来估计系统的固有频率。夹具设计时必须进行的几个最基本设计如下。
（1）夹具的固有频率应满足试验的频率范围
许多产品的可靠性与环境试验要求的试验频率范围一般为10～2000Hz，所有试验必须使用电磁振动台。电磁振动台是目前最先进最常用的振动台，其最低频率一般为5～10Hz，最高频率可达3000～4000Hz以上。为了满足10～2000Hz试验频率范围，在此频率范围，夹具的频响特性要平坦，夹具设计和计算（或测定）时，其一阶频率应高于最高试验频率。这对于小型、简单夹具是易做到的，但对大型复杂夹具则很困难甚至是不可能的。即使这样，设计计算（或测定）夹具的一阶固有频率也应高于试件的一阶固有频率，以避免发身夹具与试件的共振偶合。在确定试件的固有频率时，可以把试件划分为梁、板等元件，计算各个元件的固有频率，然后用Dunkerley方程计算试件的固有频率。
（2）对夹具重量（振动台额定推力）的验算
对夹具重量（振动台额定推力）的验算，主要考虑振动台的承载重量W和试验加速度a。当正弦振动试验的最大加速度为a时，振动台的正弦推力F应大于W.a；当随机振动试验的总均方根加速度值已知为arms时，振动台的随机推力F应大于（W1+W2+W3）. arms。式中：W1：试验样品重量，W2：夹具重量，W3：振动台动圈重量。 设计用来支撑试件的夹具，试件的尺寸和形状是必不可少的，因为它们决定夹具的尺寸和形状。你还必须试件的重量和重心，至少也要估算出重心的位置，试件和夹具的合成重心尽可能精确地落在振动台的中心线上。
温度对夹具的性能也是有影响的，当一夹具要用于温度振动试验时，就要注意这一点，高温可使金属产生塑性屈服，低温可使材料冷脆。
一个好的夹具至少应满足下列要求：
（1）在整个试验频率范围内，夹具的频响特性要平坦，夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合。
（2）夹具与产品连接面上的各连接点的响应要尽量一致，以确保试验时激励输入的均匀性。
（3）夹具的刚度质量比要足够大。
（4）夹具的阻尼要大，夹具共振时（第一阶固有频率），其品质（放大）因数Q不应大于4。
（5）夹具的质量最好是试件的2～4倍。通常在估算振动台需要的推力的时，用此比值就行。
（6）夹具横向运动（指垂直于激振方向）要尽量小。
接点的运动都一致是困难的，在某些频率下，出现相位和振幅的差别，其差别有时最高到50：1，这从台面上几个加速度计的输出中就能看到。一个好的设计能够部分地使差别减至最小，而且能够在实验规范要求的频率范围内，使得各加速度计之间的差别达到容许限度，很大程度上决定于夹具和振动台的尺寸。无论你的设计和制造出的夹具多么好，如果合力超出振动台规定的倾覆力矩，运动将不再是线性的，而且各加速度计输出差别很大。
5.4 夹具的基本形式
夹具的种类繁多，差别很大，从专门用途以及设计上的差别可分为：
（1）平板型夹具
平板型夹具的作用是把试件与振动台面连接起来，若没有这样的板，要使试件与振动台面直接连接进行振动试验或冲击试验，就很少有这种可能性。此外这种板减少了对振动台面上衬套的磨损以及衬套从台面上脱出的危险。
平板型夹具绝大部分是价值不大的消耗品，如简单的平板。但有些需精心制作。如需长期的、大量的做试验用，这些板就应当精心设计。实际的例子就是，把大量零件放到一块大型转接板上在大振动台上做试验，这要比只是单个或有限个零件放在小振动台上做试验经济得多。一般地讲，过度板的尺寸是任意的，直到和振动台面的直径一般大（有时允许稍微超出一些）。厚度可以从2.5cm到15cm任选。埋螺钉头的孔一般是用平底打孔钻钻成。并用钢制平垫圈（机加工并淬火）以保护肩部。
（2）立方型夹具
立方体夹具主要用于小型零构件的振动冲击试验。可以直接固定振动台上。也可以由过度板来固定。当装在顶面上的试件接受垂直方向的振动冲击时，其它四个平面（在四周上）都能接受到平行方向的振动冲击。四周上的任一快板均能转900（在基平面内旋转）用于经受平行于基平面的二个方向的振动或四个方向冲击（冲击有正向冲击和反向冲击之分，故比振动多了二个方向）。
立方体上有螺钉衬套，用螺钉连接板（或者与试件直接相连）。夹具上还必需有连接气、液、或电器的安装孔。
（3）过度架型夹具
过度架型夹具主要用于整机产品的试验，这种夹具要根据试验样品的形状来设计。所以不同形状的样品，其夹具的形状也不相同。过度架型夹具的形状、刚度和强度要尽量接近样品在实际使用中的情况。
（4）L形夹具
L形夹具的各部分可用螺接，亦可用粘结或焊接结合起来，或者用整块料机械加工而成。
（5）T形夹具
T形夹具除了垂直平板装在中心位置外，其他方面和L形夹具相类似。试验件可以同时固定在垂直平板的两面，只要夹具比试件重，就很容易做到使试件/夹具的组合重心通过振动台的轴线。除上述5种形式外，还有各种形式的夹具等。
5.5 夹具的材料和制作方法
5.5.1 制作的夹具材料
在制作夹具的过程中，通常是首先选择制作方法，然后是选择材料。就材料而言，材料的强度和疲劳特性在夹具设计中很少需要考虑。因为夹具高频特性所要求的刚性使得夹具非常结实。很少因强度不足而损坏的。
由于重量常常是夹具最关键的参数，所以铝和镁是最常用的材料。对同一尺寸大小的金属而言，铝（密度0.1磅/英寸3）比镁（0.065磅/英寸3）重1/3，而钢（0.3磅/英寸3）比镁重四倍。某些铝镁合金的阻尼特性比钢好，加工也便宜。控制固有频率的因素是E/Р，其中E是杨氏模数（磅/英寸3），Р是密度（磅/英寸3）。对于大多数金属来说E/Р比值约为108。因此，为一些特殊设计精选材料并不会明显改变其频率特性。
夹具设计者要考虑材料的价格。一次购买大量的材料虽然贮存起来可能困难，但能节省资金。只要付给少量的附加费用，供应者常常能够粗略地把板材切割成最适用的尺寸。设计人员经常要帮助他们的采购人员去寻找最好的供应者。
镁在机械加工时，经常要提醒有关着火的危险性。主要危险是精刨或镁屑集中处,如有一个小颗粒被点着就会导致全部爆发。加强厂房管理就可以避免这种危险。
5.5.2 用整块原材料机械加工制造夹具
用一块整块材料经机械加工来制作夹具是经常用的方法，这是最快最省的方法。对于小试件来讲，尤为正确。镁材，机械加工最快最容易。全部金属切削工作都能以最高的机械加工速度进行。磨、镗、钻和插等都能以任何其他金属加工难以达到的速度完成。镁的切削速度比铝约快20%，是钢的三倍。
当夹具是用螺钉将各部分连成一体时，会出现配合和预应力问题。整体机械加工就避免了上述问题。当然，试件装到某一夹具上也需要用一些连接件。
5.5.3.焊接夹具
在振动试验的早期，大约20世纪40年代-50年代，曾广泛使用螺接家具。
但其最明显的缺点是不能防止夹具各部分的相对运动，造成波形有毛刺畸形，这样铸造夹具就普遍被采用了。由于铸造夹具成本高，生产周期长，因此导致目前又普遍使用焊接夹具。许多试验计划又不允许将机动时间用于铸造夹具，正如我们见要看到的另外几种方法，正在受到欢迎。因为它们更节省费用和时间。在机加工中发现一个有趣的对比：现在80%是焊接的，20%铸造的。
焊接夹具很早就使用过，但并不十分成功。焊件时常破坏，许多焊件在振动载荷下断裂。但焊接夹具比铸造夹具省时间（是铸造时间的1/7），费用节省，是铸造的1/3，随当今焊接技术的不断提高，焊接夹具已用得愈来愈多。
5.5.4 螺接夹具
螺接夹具加工简单，但要想要获得很好的性能，无论在设计方面还是在制作方面都需要作相当大的努力。因此，通常是首先考虑用一块整材经机械加工和焊接夹具。不管怎么说，振动试验新手总想至少来一次螺接夹具的尝试。螺接是连接各部件的常用合理方法。但它不是指夹具各部分。在某些情况下（尤其是在试件的四周安装夹具）螺接是唯一的解决的办法。关于夹具和激振器螺接的好多事项，也适用于夹具中几个部件螺接在一起的情况以及把试件螺接到夹具上的情况。
在螺接夹具中有二个主要要求：
（1）配合面要加工到很高的配合精度。
（2）螺栓的预紧力比计算的最大分离力至少要大10%。如果没有足够的预紧力，部件会脱开相互撞击。因为这个问题很重要，如果忽视了，在正弦和随机试验中会带来一些麻烦。
当部件互相脱开又碰撞在一起时就会引起撞击。（这就是在振动时间历程图上见到的“毛刺”）。这种撞击常常会造成超过试验规定的应力和频率范围。从而导致试件不应有的（而且不许可的）损坏，同时也造成试验控制很困难，例如试验中断。
为了使装配好的零件总是结合在一起，必须大量使用高强度螺钉，并拧紧之。螺栓间距一定要小，否则螺栓间的跨度会发生共振。用大型夹具并要求试验到2000Hz,则螺栓间距不得超过75mm。用螺栓压住簿的聚脂簿条或表面敷有涂层的布条有助于防止局部运动。
由于铝材和镁材柔软,螺栓应用粗制而不是精制螺纹。如果夹具要多次拆卸,螺纹应加钢制螺纹衬套。螺栓头应紧压在淬过火的钢制平垫圈上,以保护螺栓头下面的肩部。
要注意防止依靠螺栓受剪传递振动力的危险性，除了小部件或在低加速度情况下，一般不要单独依靠螺栓传递这种力，如可能的话，用某些方法增加各部件之间的摩擦力。
5.5.5 铸造夹具
在要求有曲面的地方（特别是弧度不是常数）应考虑用铸造夹具。任何奇形怪状的试件它都能适应，能满足多方面设计要求，如要求一定的厚度的截面，变剖面，很多角撑板复杂截面等。铸造夹具的设计指标是频率/重量之比最大。
用铸造的最大理由就是铸造合金的阻尼相当高。但是，这种合金的加工性能或焊接性能都不好。例如，某些铸铁比钢的阻尼高。对于夹具来说，已知最好的合金是KIA镁（含0.7%锆），建议使用AZ91T4（含1%的锌）、AZ92T4（含2%的锌）。AZ91T4C可以铸造后焊接。阻尼能降低输出输入比，减少共振的幅度，在较高的试验频段上传递特性随之迅速下降。
对阻尼已做过许多研究。虽然不能全部了解，但已证明：具有高阻尼的合金都具有下列共同的因素：
（1）合金含量低，（纯镁比合金要好，但其他性能不好）；
（2）相当粗糙的粒度（砂铸比压铸号）；
（3）屈服强度相当低（容易取出嵌件）；
（4）在铸造状态性能最好（一经加工，阻尼要损失）。
5.5.6 粘接夹具
粘接很小的夹具比焊接夹具要快而且便宜得多（对于大型夹具最好用焊接，但有一个温度限制问题）况且，这个工艺过程通常在实验室本身的能力范围内就能完成，只要粗略的草图作指导，实验室技术人员就能完成整个任务。
用金属胶代替紧固件必须加高温，用某些环氧树脂就能完成紧固工作。在环氧树脂固化过程中，有时用螺栓而不用夹具或卡具来固定试验夹具各部分的相对位置。
5.5.7 叠层夹具
叠层胶接技术可用于制造大型的，重量有轻的夹具。大家都知道胶合板夹具已经很成功地用到试验上了，所覆盖的频率范围最高可到55Hz。
尺寸大约450mm×450mm×450mm的夹具，可连一个40Kg的电子设备到振动台上。正因如此，当接近较高的的试验频率，如2000 Hz时，夹具有严重的共振，而这种夹具可以设计得相当轻而且阻尼大，所以对共振也就不是什么大的难题。
5.5.8 环氧树脂成形夹具
用环氧树脂（可能还有其他更好的材料）能很方便地制造出拚凑式曲面板。相比之下，这种方法既节约有省工时。亦有用环氧树脂按试件原样成功地塑造成夹具，当然试件要用脱模剂，以免环氧树脂同试件粘连。在环氧树脂固化之后脱模，就形成了与试件完全相配的夹具。为固定试件，嵌入钢制螺纹螺套，
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为便于将夹具螺接到振动台上，钻孔稍大些。较普遍的方法是，用环氧树脂粘到一块转接板上。
5.5.9 .灌腊（封装）夹具
对于很小的零件，有一个有用的技术，就是把它装入某种材料中，而这种材料在完成振动、冲击或离心试验以后能够容易的去掉，石腊就是这样一种材料。在试验以后，只要把夹具放入烘箱内加温（50～70℃）直到石腊能够倒出来为止。这样的夹具还可节省试验费用。
5.6与台面的螺接
试件与夹具之间、夹具各部分之间及夹具和振动台之间大多采用螺栓连接。夹具一振动台螺连时，螺栓承载的最大载荷为：
F = (m1+m2+m3)×a
其中：a：是正弦或随机振动的峰值，单位为g。
F：螺栓承载的最大载荷
对每一螺钉，要将F除以螺钉数，得到每个螺钉所承受的最大载荷，再除以螺钉面积，就得到拉伸应力。
m1：夹具重量
m2：样品重量+动圈重量
m3： 动圈重量
为了避免台面与夹具分离以及螺钉疲劳破坏，每个螺钉至少要能承受这么大的应力值。
试验人员使用用力矩扳手拧紧螺栓，扭矩至少拧到表额定扭矩值的3/4，因为一旦超过了“屈服”力，随着螺栓的伸长，螺栓的拧紧程度增加甚微。如果比“屈服力”大得多，螺栓就要剪断或拉断。
5.7 夹具的动态检测
为了保证振动和冲击试验的正确性，夹具在使用前还应进行动态检测，以检查其主要动态特性，如固有频率、传递特性、夹具与试件连接面上各点响应的均匀性、横向运动、波形失真度等是否符合要求，以确定是否还需采取技术措施进行扑救。如果对夹具的动态品质不了解，则当试件在一定试验频率下不能正常工作时，就不易判明是夹具问题还是试件问题。因为夹具设计与制造得不好，就有可能误将合格的试件试验成不合格品，或将不合格试件试验成合格品。
进行夹具的动态测定能够揭露夹具的缺点，提出改进的方法。夹具修改后再测定，就可以知道其特性的变化，这对设计师而言，也是积累经验的最好办法。夹具动态测定的步骤简述如下。
(1) 将夹具用螺栓紧固动台的台面上；
(2) 加速度传感器安装在振动台台面中心（也可用各固定的多点控制的平均值），进行闭环控制，设其激振方向加速度为aoz;
(3) 在紧靠夹具与试件(产品)的连接孔附近,选择几个响应测点，在每个响应测点处安装一个三方向加速度传感器，通过开环分别测量激振方向响应加速度aiz及横向响应振动加速度aix和 aiy;
(4) 按试件振动试验频率范围进行正弦扫频试验(也可进行随机试验),记录控制点和各响应点的加速度随频率变化曲线,并用示波器观察其波形,失真仪测量波形失真度;
(5)求出aiz/aoz随频率变化曲线,计算出传递率,用以检查所设计夹具在激振方向的传递特性、一阶固有频率共振时的品质因数“Q”和夹具连接面响应的均匀性；
（7）求出横向振动与激振方向加速度的比（22/txtyozaaa），以此值检查夹具横向运动大小。
在夹具测定时，一定要设法做到使频率高到能够确定出真实的共振振型，以免混淆非共振频率时出现的波形高峰。
